泡沫铝在200千瓦柴油发电机组中降噪的应用研究

刘 贺,李玉海，魏 莉

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳110159)



泡沫铝在200千瓦柴油发电机组中降噪的应用研究

刘 贺,李玉海，魏 莉

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳110159)

针对泡沫铝材料在柴油发电机隔声降噪方面的应用进行研究。通过柴油发电机噪声源测试，研究噪声规律及产生原因。研究泡沫铝材料厚度与不同空间结构对发电机噪声影响规律及在发电机实际机体中的降噪效果，制作泡沫铝外壳作为柴油发电机吸声结构。实验结果表明：发电机发出的噪音是一种混合型噪音，包括低、中和高频率成分，噪音能量主要集中在中低频(63～500Hz)；当闭孔泡沫铝厚度为20mm、空腔距离为20mm时降噪效果最好，在500Hz时噪音下降14.71%。

泡沫铝；柴油发电机；降噪

随着社会的快速发展，柴油发电机作为一种备用供电设备使用越来越普遍。由于柴油发电机在运行时噪声值达110dB甚至更高[1]，严重影响周围居民的正常生活，其运行产生的噪声污染问题急待解决。泡沫铝作为柴油发电机吸声材料，具有其他材料无法比拟的优良性能[2-4]：具有耐高温(最高可耐780℃的高温)的特点，而且受热时不会释放有毒物质，有利于环境保护；具有轻质的特点，便于运输、施工与装配，可满足柴油发电机设备的轻量化、低能耗的发展要求；具有良好的散热性能，可有效防止温升导致柴油发电机受损影响使用寿命。传统上应用驻波管法测试泡沫铝吸声系数[5]，主要测试垂直入射吸声系数，但仅能测试单一频率下的吸声系数；对于混合频率的工程机械降噪问题，应直接进行整体降噪分析。本文对原装柴油发电机噪声测试并分析，研究其噪声规律及产生原因；再将不同厚度的泡沫铝材料、不同结构的泡沫铝加钢板结构安装在柴油发电机组上，研究泡沫铝材料厚度、空间结构对发电机噪声的影响规律。

1 实验方法

1.1 发电机噪声频谱测试

获取发电机噪声源分四步：(1)打开并校准多功能声级计(杭州爱华仪器有限公司出品的AWA6228型)；(2)稳定运行柴油发电机；(3)对柴油发电机四个方向进行标号，用声级计在距离每个面7m处进行噪声测试[1](如图1所示)；(4)读取实测噪声值，用excel软件对数据处理并分析。

图1 柴油发电机四个方向标号

1.2 实验方案

分别在柴油发电机组四壁加裸泡沫铝(闭孔泡沫铝，开孔泡沫铝)(如图2a所示)；泡沫铝加钢板结构(图2b)；用台钻打孔，打孔率不超过2%，孔径2mm的泡沫铝与钢板空腔结构(图2c)。要求距离机组7m处噪声达到70dB以下，按图1进行测试。

2 结果与讨论

2.1 柴油发电机噪声源频谱特点与规律分析

发电机测试得到的噪声结果如图3所示。

图2 测试结构

柴油发电机的噪声主要有气体动力噪音、废气排气噪声、燃料在气缸内燃烧的声音、活塞往复运动的机械噪声、冷却风扇运转的气流声和发电机的电磁声等[6]。由图3a看出，发电机发出的噪音是一个混合型噪音，高分贝的声音主要集中在中低频63～250Hz频率段，在7m处声强可达到80.3dB；在500Hz的频率下，7m处声强在71.9dB；而大于1kHz频率下，发电机噪声声强在7m处都低于69dB。图3b、3c和3d具有相同规律。测试的实时数据显示中可以看到，发电机在7m处的平均声强(即C计权)为74.4dB。

由以上数据分析可知，对发电机噪声的处理不仅是隔断高频声源，更应降低低频段的噪声，使平均噪音值降低。

2.2 泡沫铝材料降噪效果

在柴油发电机组外壳四壁加裸泡沫铝，进行噪声测试，因为四面降噪规律基本一致，故仅对图3b位置进行数据分析。试验结果如图4所示。

图3 柴油发电机噪声源频谱

图4 发电机组外壳加裸泡沫铝降噪结果比较

由图4可知，7m处这几种泡沫铝材料对频率大于500Hz的噪音都有明显的降低作用，随着频率的升高，降噪效果越来越明显；而对于63～250Hz的声音，降低效果不明显。在低频段(31～500Hz)，开孔泡沫铝材料比闭孔泡沫铝材料的降噪效果好；随着孔径的减少，降噪效果增强。0.9mm孔径的开孔泡沫铝比1.6mm孔径的开孔泡沫铝降噪效果好。在高频段(大于500Hz)，闭孔泡沫铝材料比开孔泡沫铝材料的降噪效果好，如在频率为1kHz时，厚度为9mm闭孔泡沫铝比厚度为8mm开孔泡沫铝降噪效果好10.6dB。随着泡沫铝板厚度的增加，降噪效果增强。20mm厚度的闭孔泡沫铝板降噪效果最好。

2.3 泡沫铝加钢板结构降噪效果

在发电机组四壁分别加厚度为20mm、9mm、6mm闭孔泡沫铝,内衬加衬1.5mm厚钢板的复合板，与厚度为8mm、4mm开孔泡沫铝内侧加衬1.5mm厚钢板的复合板，在发电机7m处进行测试，仅对图3b位置进行分析。试验结果如图5所示。

图5 发电机组外壳加泡沫铝钢板复合板降噪效果

由图5可知，这几种泡沫铝材料在大于125Hz时噪声开始明显降低，与未加钢板的泡沫铝板相比，降低的拐点前移了一个频率段(泡沫铝板从500Hz才显现降噪作用)。随着频率的升高，降噪效果越来越明显。在低频段(31～500Hz)闭孔泡沫铝加钢板内衬比开孔泡沫铝加钢板内衬的降噪效果好；并随着泡沫铝板厚度的增加，降噪效果增强；20mm厚度的闭孔泡沫铝加钢板内衬的降噪效果最好。如在频率为63Hz、125Hz和500Hz时，该结构降噪效果达到20dB以上。在高频段(大于500Hz)开孔泡沫铝内衬钢板的结构噪声下降非常快，尤其是开孔0.9mm孔径的材料，在1kHz以上比闭孔泡沫铝降噪效果好，如在频率为2kHz时轻体复合板也显示出同样的特点，实测噪声声强为55.6dB，优于其他材料的降噪效果。但从总体的比较分析看，因为发电机的噪声频率大多为低频，故认为闭孔20mm的泡沫铝加钢板内衬结构更适合降噪。

2.4 打孔泡沫铝加钢板空腔结构降噪效果

在泡沫铝板上打孔，打孔率不超过2%，孔径2mm，保持钢板内衬与泡沫铝空腔的距离为10mm、20mm，将打孔泡沫铝钢板空腔结构加在发电机组四壁，在发电机7m处进行测试，结果如图6所示。

图6 发电机组外壳加打孔泡沫铝钢板空腔结构降噪效果比较

将泡沫铝材料进行打孔处理，可使吸声系数提高[7-8]。在打孔泡沫铝后加空腔，可用泡沫铝自有的亥姆赫兹共振器效应消耗声能，还因为打孔的泡沫铝形成了穿孔板吸声结构，因此打孔泡沫铝与钢板内衬空腔结构可视为亥姆赫兹并联共振器。亥姆赫兹共振器在声学方面主要有两个作用[9]：(1)颈口附近和颈内摩擦可以吸收声能；(2)颈口的二次辐射作用可以扩散入射声波。由图6可见，表现出明显的亥姆赫兹并联共振器吸声特性。在20mm厚的闭孔泡沫铝上打孔后，从大于125Hz的频率开始，噪声下降的程度明显增加。在7m处，20mm厚打孔闭孔泡沫铝加空腔结构在2kHz、4kHz与8kHz时噪声下降明显，特别在4kHz与8kHz时，实测噪声声强小于30dB，因此20mm空腔结构噪声下降最明显；对于低频频段(小于500Hz)，厚度为20mm的闭孔泡沫铝加20mm空腔降噪效果优于其他结构；在低于250Hz时，最大降噪6.3dB。

3 结论

柴油发电机噪音是一种混合型噪音，主要集中在中低频(63～500Hz)。对比发电机组外壳加裸泡沫铝、泡沫铝加钢板结构和打孔泡沫铝加钢板空腔结构的降噪效果，得出，20mm厚打孔闭孔泡沫铝加20mm空腔结构降噪效果优于其他结构。在低于250Hz频率段，最大降噪6.3dB。

[1]马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京:机械工业出版社，2002.

[2]张晓明，姚广春.连通孔泡沫铝材料的研究[J].轻合金加工技术，1999，27(5)：36-39.

[3]梁李斯.闭孔泡沫铝的声学性能研究及应用[D].沈阳：东北大学，2008.

[4]李道韫，徐连棠，赵庭良，等.泡沫铝的孔隙结构及透流特性[J].吉林工业大学学报，1994，24(4)：5-6.

[5]HE Ling，ZHU Haicao，Qiu Xiaojun，et al.Acoustic theory and engineering application[M].Beijing：Beijing Science press，2006：120-125.

[6]吴炎庭，袁卫平.内燃机噪声振动与控制[M].北京：机械工业出版社，2005.

[7]YU Haijun，YAO Guangchun，WANG Xiaolin，et al.Research on sound sound absorption property of Al-Si closed-cell aluminum foam[J].Journal of Functional Materials，2006，37(12)：2014-2018.

[8]王滨生，张建平.泡沫金属吸声材料制备及吸声性能的研究[J].化学工程师，2003(4)：8-9.

[9]马大猷，沈豪.声学手册[M].北京：科学出版社，2004.

(责任编辑：赵丽琴)

Research on the Application of Foam Aluminum in the 200kW Diesel Generator Set

LIU He，LI Yuhai，WEI Li

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

The application of aluminum foam in sound insulation and noise reduction of diesel generator is studied.The noise source of diesel generator is tested.Through studying the rule of aluminum foam with different thickness and space structure influence on generator noise,the shell with closed-cell aluminum foams was manufactured as sound-absorbing materials of diesel generators and the effect of aluminum foam on noise reduction was investigated.Experimental results show that generator noise is a kind of mixed noise at high,medium and low frequency.Noise energy mainly concentrates in the low frequency(63～500Hz)region.Some experiments have shown the better effect of noise reduction,when closed-cell aluminum foam is under the condition that thickness is 20mm and the cavity distance is 20mm,the noise reduction percentage is 14.71% at 500Hz.

aluminum foam;diesel generator;noise reduction

2015-04-23

刘贺(1990—)，男，硕士研究生；通讯作者：李玉海(1962—)男，教授，博士，研究方向：材料表面加工。

1003-1251(2016)04-0088-04

TB34

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